Die Energieproduktion in der Natur obliegt den Chloroplasten und Mitochondrien und ist entscheidend für die Herstellung nachhaltiger, synthetischer Zellen im Labor. Mitochondrien sind nicht nur „Kraftwerke der Zelle“, wie es im Biologieunterricht der Mittelschule heißt, sondern auch eine der komplexesten intrazellulären Komponenten, die künstlich repliziert werden können.
In Biophysics Reviews haben Forscher der Sogang University in Südkorea und des Harbin Institute of Technology in China die vielversprechendsten Fortschritte und die größten Herausforderungen künstlicher Mitochondrien und Chloroplasten identifiziert.
„Wenn Wissenschaftler künstliche Mitochondrien und Chloroplasten schaffen können, könnten wir potenziell synthetische Zellen entwickeln, die Energie erzeugen und autonom Moleküle synthetisieren können. Dies würde den Weg für die Schaffung völlig neuer Organismen oder Biomaterialien ebnen“, sagte Autor Kwanwoo Shin.
In Pflanzen nutzen Chloroplasten Sonnenlicht, um Wasser und Kohlendioxid in Glukose umzuwandeln. Mitochondrien, die in Pflanzen und Tieren gleichermaßen vorkommen, produzieren Energie durch den Abbau von Glukose.
Sobald eine Zelle Energie produziert hat, verwendet sie oft ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), um diese Energie zu speichern und zu übertragen. Wenn die Zelle das ATP abbaut, setzt sie Energie frei, die die Funktionen der Zelle antreibt.
„Mit anderen Worten, ATP wirkt als Hauptenergiewährung der Zelle und ist entscheidend für die meisten Zellfunktionen“, sagte Shin.
Das Team beschreibt die erforderlichen Komponenten zur Konstruktion synthetischer Mitochondrien und Chloroplasten und identifiziert Proteine als die wichtigsten Aspekte für molekulare Rotationsmaschinen, Protonentransport und ATP-Produktion.
In früheren Studien wurden Komponenten repliziert, die die Energie produzierenden Organellen ausmachen. Einige der vielversprechendsten Arbeiten untersuchen die Zwischenprozesse, die an dem komplexen Energieerzeugungsprozess beteiligt sind. Durch die Verbindung der Sequenz von Proteinen und Enzymen haben Forscher die Energieeffizienz verbessert.
Eine der größten Herausforderungen bei dem Versuch, die Energie produzierenden Organellen zu rekonstruieren, besteht darin, eine Selbstanpassung in sich verändernden Umgebungen zu ermöglichen, um eine stabile Versorgung mit ATP aufrechtzuerhalten. Zukünftige Studien müssen untersuchen, wie man diese begrenzende Eigenschaft verbessern kann, bevor künstliche Zellen selbsttragend sind.
Die Autoren glauben, dass es wichtig ist, künstliche Zellen mit biologisch realistischen Energieerzeugungsmethoden zu schaffen, die natürliche Prozesse nachahmen. Die Reproduktion der gesamten Zelle könnte zu zukünftigen Biomaterialien führen und Einblicke in die Vergangenheit geben.
„Dies könnte ein wichtiger Meilenstein im Verständnis des Ursprungs des Lebens und des Ursprungs der Zellen sein“, sagte Shin.
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